Les 5 principales règles pour la conception de circuits imprimés numériques

La technologie des circuits imprimés numériques a connu un grand essor dans le domaine de l’électronique, car les innovations et les développements permettent de produire des appareils et des gadgets électroniques plus rapides, plus compacts et moins chers. Les circuits imprimés numériques sont constitués de plusieurs microprocesseurs et autres circuits électroniques capables de gérer des milliers d’opérations par seconde. Par rapport aux circuits imprimés analogiques, les circuits imprimés numériques présentent un certain nombre d’améliorations, notamment un meilleur ajustement des impédances et une meilleure gestion des pertes d’insertion des lignes de transmission. 

Source : ak.picdn.net

Il est très important de concevoir et d’élaborer les circuits imprimés numériques avec soin afin d’éliminer les problèmes tels que les discontinuités d’impédance dans les lignes de transmission, la métallisation incorrecte des interconnexions à trous traversants et d’autres problèmes liés à l’intégrité du signal. Les circuits imprimés numériques présentent un certain nombre de caractéristiques qui leur confèrent un avantage dans le fonctionnement d’un circuit électronique. Parmi ces caractéristiques, citons :

• Nombre élevé de couches
• Tolérances dimensionnelles étroites 
• Élimination des embases
• Densité d’emballage élevée
• Structure complexe d’empilage, etc.

Différence entre circuits analogiques et circuits numériques

Le routage analogique et le routage numérique des circuits imprimés présentent de nombreuses similitudes et différences en ce qui concerne notamment les condensateurs de dérivation, l’alimentation électrique, la conception de la mise à la terre, les erreurs de tension et les interférences électromagnétiques (EMI) résultant du routage des circuits imprimés.  

Fig 1 : Signaux analogiques et numériques

Source : Proto-Electronics

Les circuits analogiques consistent en une combinaison d’amplificateurs opérationnels, de résistances, de condensateurs et d’autres composants électroniques utilisés sur un circuit imprimé. Ces associations de composants formant un circuit analogique peuvent varier de différentes manières. Les deux principales applications des circuits analogiques sont les suivantes :

1. Filtrage des signaux : Dans le cas d’un signal continu, il est nécessaire d’utiliser un filtre analogique continu pour éliminer toutes les fréquences indésirables du circuit. Par rapport à un filtre numérique, les applications de filtrage analogique sont beaucoup plus économiques et faciles à réaliser.

2. Capteurs : Les capteurs permettent de convertir les données variables du monde réel en données exploitables par un système embarqué ou un ordinateur. Si les données ne sont pas disponibles, les capteurs créent un signal analogique et le convertissent en signaux numériques. Contrairement aux systèmes à haute tension, ces systèmes ont une faible amplitude et nécessitent de conditionner le signal afin d’en améliorer la qualité pour mieux utiliser toute la gamme d’un CAN.

D’autre part, les circuits numériques consistent en une combinaison de composants logiques et séquentiels grâce à l’utilisation de portes logiques qui fonctionnent sur des signaux numériques. Par rapport aux circuits analogiques, les signaux numériques fonctionnent sur la logique binaire des 0 et des 1 pour représenter les données sous une forme numérique sur un seul circuit intégré.

Critères de sélection des matériaux de circuits imprimés pour les circuits numériques

Pour choisir un matériau pour un circuit imprimé numérique, il convient de prendre en compte certains facteurs, notamment : 

1. Stabilité des tolérances dimensionnelles : Le circuit imprimé numérique doit être composé de matériaux qui assureront une stabilité mécanique irréprochable à différents niveaux de température, de vibrations, de chocs et de surtensions électriques.

2. Gestion thermique de niveau supérieur : Les matériaux doivent pouvoir assurer un excellent transfert et une excellente dissipation de la chaleur, et doivent garantir que les couches ne se décomposent pas, ne se délaminent pas et ne commencent pas à se décoller à des fréquences plus élevées.

3. Amélioration des performances du signal : Lors du fonctionnement du circuit, la qualité du signal doit être constante sur l’ensemble du circuit imprimé, avec un minimum de pertes de signal, même en cas de variations de fréquence. Les concepteurs doivent s’assurer que les matériaux sélectionnés ont un faible facteur de perte diélectrique (Df) afin de garantir l’absence de pertes.

4. Ajustement des impédances précis : Les circuits imprimés numériques nécessitent une gestion rigoureuse du routage de l’impédance, car ils doivent maintenir une constante diélectrique (Dk) stable lors des opérations à grande vitesse.

5. Résistance à l’humidité et aux produits chimiques : Les matériaux ayant un faible taux d’absorption de l’humidité et des produits chimiques doivent être sélectionnés de manière à ce que les variations des performances électriques souhaitées dans le circuit imprimé soient minimales.

Matériaux numériques pour les circuits imprimés

L’assise ou la base d’une antenne sur circuit imprimé se compose d’un substrat et d’un stratifié qui déterminent également les performances du circuit imprimé. Lors de la conception d’un circuit imprimé, il convient de privilégier des qualités telles que la fonction, la longévité et la rentabilité, d’où l’importance de choisir le type de matériau adapté au circuit imprimé. Le matériau envisagé lors de la conception d’un circuit imprimé peut avoir un effet à court ou à long terme sur les performances. Le prix d’un matériau pour circuit imprimé est directement proportionnel aux performances du circuit imprimé. Lorsqu’il n’est pas nécessaire que le circuit imprimé soit très performant, on peut envisager d’utiliser un matériau appelé polyester léger, car il est peu coûteux et très polyvalent.

Le choix des matériaux doit tenir compte de la température. La résistance à la chaleur doit être supérieure à la chaleur produite, car un excès de chaleur risque de compromettre le fonctionnement du circuit. La Tg (température de transition vitreuse) est le moment où le circuit imprimé perd sa rigidité et sa capacité à bien fonctionner. La Tg doit correspondre au procédé d’assemblage mis en œuvre, une Tg d’un minimum de 170 °C étant recommandée pour les assemblages sans plomb. Pour un circuit imprimé haute performance, la Tg doit être supérieure à 170 °C alors que la Tg d’un circuit imprimé standard est de 130 °C. Plus la Tg est élevée, plus la résistance aux produits chimiques et à l’humidité est élevée.

Les matériaux généralement utilisés dans les substrats de circuits imprimés vont du FR-1 et du G-10 au PTFE. Les stratifiés sont formulés à partir de CTE, de PTFE, de CEM et de divers autres composés.

• FR-4 : La mention FR signifie « flame retardant » (retardateur de flamme). Elle est largement utilisée dans les cartes standard. Elle présente deux points de Tg, le premier est de 135 °C et le second de 150 à 210 °C, ce qui convient aux utilisations à haute densité.

• G-10 : Il s’agit d’un stratifié en fibre de verre à haute pression. Le G-10 et le FR-4 servent d’isolant dans les applications électriques et électroniques.

• PFTE (polytétrafluoroéthylène) : Le PFTE peut constituer un bon choix dans les cartes à haute fréquence, à micro-ondes et à haute puissance, car il a une Tg de 160 °C et à 280 °C.

• CEM-1, CEM-2 et CEM-3 : Ils fonctionnent bien dans les applications à haute densité. Le CEM-1, le CEM-2 et le CEM-3 ont une Tg de 122 °C, 125 °C et 125 °C respectivement. 

• Polyimide : Comme substrat, il offre une Tg de 250 °C ou plus pour les circuits de haute puissance. Pour les circuits flexibles, il convient de privilégier les substrats en polyimide, car les substrats en FR-4 sont rigides. Les substrats en polyamide sont légèrement plus onéreux que les substrats en FR-4. En revanche, ils offrent une grande résistance aux températures.

 Règles de conception des circuits imprimés numériques

La plupart des systèmes de conception de circuits imprimés permettent de transposer les règles entre le schéma et la topologie. Le schéma peut ainsi déterminer les règles de conception sans avoir à attendre la saisie de toutes les contraintes du côté de la topologie, ce qui constitue un avantage considérable pour les concepteurs. Ce niveau de structuration permet aux concepteurs de définir des règles pour le placement de réseaux et de composants spécifiques, ce qui est essentiel pour la conception de circuits. Le réseau ou la classe de réseaux permet de regrouper des réseaux similaires et de leur attribuer un ensemble de règles. Comme les règles du réseau se trouvent déjà dans la base de données de conception, le concepteur ne doit pas s’appuyer sur des instructions écrites. Pour s’assurer que la carte de circuit imprimé est conçue avec précision, voici quelques règles à respecter : -

1. Valeurs par défaut : L’outil de conception du logiciel démarre avec des valeurs par défaut qui proviennent généralement des reliquats de conceptions précédentes ou des valeurs par défaut du système. Le concepteur doit confirmer ces valeurs avant de commencer afin de s’assurer qu’il n’effectue pas le routage avec une largeur de piste incorrecte ou qu’il ne place pas les composants trop près. Pour éviter de tels problèmes, il est possible de réinitialiser ces valeurs par défaut par le biais des paramètres. Il convient également de s’assurer que l’espacement des valeurs par défaut est défini en fonction du schéma requis du circuit afin d’éviter tout désagrément lié à des réglages antérieurs.

2. Classes : Bien que la plupart des règles puissent être configurées pour des réseaux ou des composants distincts, ce processus peut prendre beaucoup de temps si vous devez travailler avec des centaines d’objets nécessitant des règles et des contraintes particulières. Certains des outils de conception fournissent un système d’installation de classes de réseaux et de composants permettant de faciliter la configuration des règles et des contraintes. 

Fig 2 : Installation des classes

Source : Circuitstudio

Par exemple, les largeurs de pistes singulières et les exigences d’espacement peuvent être configurées pour une valeur particulière des réseaux, un concepteur peut créer un ensemble de règles pour une classe de puissance et les ajouter aux réseaux.

3. Règles de conception à grande vitesse : Lorsqu’il s’agit de concevoir des circuits numériques à grande vitesse, il est possible de définir des longueurs de piste spécifiques et d’adapter la longueur des pistes de connexion proches, ce qui renforce la stabilité des lignes de données. Afin d’acheminer les pistes ensemble à des distances déterminées, il est possible d’établir des paires différentielles en créant des topologies de pistes uniques pour des caractéristiques de réseau particulières. Pour le routage à impédance ajustée, il est également possible de définir automatiquement les largeurs de piste et d’attribuer des tailles de via aux classes de réseau.

Fig 3 : Conception des pistes

Source : PCBDesignworld

4. Choix de l’espacement adéquat pour les cartes de circuits imprimés : Le choix de l’espacement adéquat entre les composants utilisés dans le circuit et l’espacement entre les lignes du circuit imprimé permet d’améliorer le rendement électrique souhaité et d’éviter les coûts et les modifications. Le rapport de forme optimal de 6:1 garantit la fabrication de la carte à l’endroit voulu, ce qui facilite le perçage. 

Fig 4 : Espacement des circuits imprimés 

Source : Optimumdesign

En outre, lors de la conception, les composants et les schémas de circuits doivent être correctement représentés dans tout logiciel de CAO afin que les concepteurs puissent visualiser des simulations précises avant de lancer la production en série.

5. Protection contre les décharges électrostatiques : Les circuits imprimés numériques sont très vulnérables aux décharges électrostatiques qui peuvent se produire en raison d’une défaillance causée par le fonctionnement de composants à semi-conducteurs comme les circuits intégrés et les batteries. En cas de négligence de ces problèmes, les circuits risquent de mal fonctionner, voire d’exploser. Les concepteurs de circuits imprimés doivent utiliser des dispositifs de protection contre les décharges électrostatiques tels que des varistances à oxyde métallique, des diodes de suppression des tensions transitoires et des suppresseurs à base de polymère afin d’éviter les problèmes causés par les décharges électrostatiques.

Conclusion

Lors de la conception de circuits imprimés numériques, il convient de veiller tout particulièrement au fonctionnement optimal du circuit, ainsi que du circuit imprimé. Pour choisir le matériau adapté au circuit imprimé numérique, il convient de tenir compte de plusieurs facteurs. Pour que le signal traverse le circuit imprimé sans difficulté ni perturbation, les matériaux doivent être stables sur le plan dimensionnel, permettre une excellente maîtrise de la gestion thermique, résister à l’humidité et aux produits chimiques, etc. Le FR4 est l’un des matériaux les mieux adaptés à la conception de circuits imprimés numériques en raison de sa résistance diélectrique élevée et de son intégrité supérieure des signaux.

Avant de passer à la production de masse, il est important que les concepteurs simulent les composants électroniques et leur fonctionnement sur le circuit imprimé afin d’obtenir les résultats appropriés. Pour les circuits numériques à grande vitesse, il est essentiel de définir la longueur des pistes afin d’améliorer la stabilité des signaux et leur transmission. Les composants doivent être espacés correctement en respectant la distance nécessaire pour éviter les interférences entre les signaux. Il est possible d’obtenir un rapport de forme de 6:1 pour une fabrication et un perçage efficaces sur la carte, ce qui accroît la flexibilité du processus de câblage et de soudage. La meilleure façon d’éviter les décharges électrostatiques et leurs effets sur les circuits imprimés consiste à recourir à divers dispositifs de protection tels que les varistances à oxyde métallique, les diodes de suppression des tensions transitoires et les suppresseurs à base de polymère.

22/06/2022