Pendant une bonne trentaine d’années, j’ai participé à de nombreux projets. J’ai conçu seul ou en équipe un grand nombre de produits, en passant par la totalité des postes nécessaires à cette activité, du câblage à l’ingénieur d’affaire en passant par la conception électronique, la programmation et, bien sûr, la conception de circuits imprimés. J’ai travaillé dans de petites entreprises et dans de grands groupes, comme prestataire ou employé, technicien ou ingénieur, ou encore chef de projet.

J’y ai gagné une expérience importante sur de nombreux sujets, mais surtout des convictions inébranlables sur l’importance de la méthodologie à mettre en place, à pratiquer et à améliorer pour toute activité. Je ne suis pas un acharné des normes ISO9000 ou CMMI, mais il faut bien avouer qu’un peu d’organisation et de méthode aide beaucoup à réaliser un projet.
Donc, plutôt que d’écrire le " Nième " manuel qualité, j’ai essayé de reprendre ici quelques idées simples et utiles pour ce qui concerne la conception d’un circuit imprimé destiné à recevoir des composants "rapides". Beaucoup de celles-ci s’appliquent sur tous les projets, bien sûr.

Faire une revue de schémas
Je n’ai jamais compris comment il était possible d’implanter correctement une carte électronique, aussi simple soit-elle, sans en comprendre le fonctionnement. Par exemple, les alimentations à découpage sont omniprésentes sur nos PCB. Lorsqu’elles doivent délivrer une puissance significative (Et quelques watts suffisent à générer moult problèmes), il est important de bien comprendre où sont les points critiques ne serait-ce que pour dimensionner correctement les conducteurs et éviter les diaphonies entre signaux faibles et courants importants.

Les impératifs de fonctionnement des lignes de transmission différentielles représentent une difficulté supplémentaire. Les impédances de ces lignes sont critiques, et doivent être calculées avec soin sous peine de voir les dispositifs ne pas fonctionner correctement.
Tous les fabricants de silicium proposent des cartes d’évaluation, et de nombreux conseils d’implantation. Mais dans la pratique, il est souvent impossible de suivre ces règles en raison de problèmes d’encombrement par exemple, ou parce que le concepteur des schémas aura tout bonnement détourné un composant de sa fonction première pour créer quelque chose de neuf.

Bref, lors de la revue de schémas, chaque partie sera analysée et expliquée clairement, en mettant en avant les points critiques, et surtout sans édulcorer les "évidences" qui sont trop souvent évidentes pour une seule personne : le concepteur du schéma. Ne jamais avoir peur de passer pour naïf. Au contraire, bien souvent une question anodine à priori entraîne une rectification du schéma. Preuve que l’exercice est utile.

Bien des points ne sont jamais documentés sur les schémas. Les temps de propagation, les impédances, les courants circulant dans les pistes ou encore la surface d’une "Exposed Pad" permettant d’évacuer des calories à travers les couches du PCB (encore un sujet intéressant), doivent être étudiés avant de passer à l’implantation.

Concevoir "Mécatronique"
Nous disposons de logiciels performants pour travailler, mais….
L’un des problèmes récurrant que j’ai souvent constaté, c’est l’impossibilité de faire "rentrer" l’électronique dans le boîtier mécanique conçu spécialement. Un comble aujourd’hui, alors que nous disposons d’un format d’échanges de fichiers universel permettant d’intégrer l’image 3D d’un circuit imprimé dans un dossier mécanique Autocad, Catia, SolidWorks et autre ProEngineer.

Donc, toujours exporter un projet d’implantation au format DXF aussitôt que possible et le faire valider. Cela ne prend que quelques minutes. Si votre interlocuteur ne valide pas une implantation, risquant ainsi de remettre en cause votre travail et le sien, il va y avoir un sérieux problème.
Le projet d’implantation ne contient que le contour du PCB, les connecteurs, les points de fixation et les composants ayant un encombrement critique. Ce n’est qu’un projet.
Une fois le projet de mécanique validé, le placement des composants peut commencer.

Utiliser le "crossprobing"
Sous ce terme un peu abscon se cache l’interactivité entre le schéma et le PCB.
Imaginez votre station de CAO équipée de deux écrans, l’un ouvert sur le schéma et l’autre ouvert sur le logiciel de placement. En pointant un composant sur le schéma, ce composant est sélectionné sur le PCB au milieu du chevelu et de l’amas de composants non placés. Et viceversa.
De la même manière, sélectionner une équipotentielle sur l’un des logiciels illumine celle-ci sur l’autre. Les éventuelles modifications sont prises en compte de l’un sur l’autre (plutôt pratique de faire des modifications pour améliorer le placement, non ?) en ayant la certitude de ne pas "oublier" l’une d’elles au passage…

Il est malheureux que cette fonction ne soit pas disponible systématiquement entre les logiciels d’édition de schémas et de PCB chez un même éditeur et qu’il soit souvent nécessaire d’acquérir un utilitaire additionnel (PCB Navigator de Precience par exemple) pour palier cette carence.
Cet éditeur revendique une réduction importante des défauts causés par des règles de conception non respectées et des erreurs lors des échanges de modifications (ECO). Je confirme.
Un bon conseil avant d’acheter un nouveau logiciel : vérifiez la présence de cette "option".
Conséquence : mettre en conformité les schémas du client avec les bibliothèques d’empreintes utilisées. Ceci n’est pas non plus sans incidence sur le résultat final.

Concevoir les empilages avant le routage
Pour beaucoup d’entre nous, concepteurs de circuits imprimés, la fabrication de ceux-ci se limitait à envoyer nos précieux fichiers Gerber avec un bon de commande à un fabricant de PCB. Conséquence, nous avons de plus en plus de circuits instables, ou qui ne fonctionnent pas. L’arrivé des normes RoHS et des nouveaux matériaux est probablement la cause de nos problèmes !
Pas si évident… Et à mon avis totalement faux.
La technologie a évolué ces dernières années. Concevoir des circuits dépassant allégrement le GigaHertz est devenu le quotidien de certains d’entre nous, et cela parfois sans maitriser le minimum de connaissances nécessaires à la conception de tels circuits. Rappelons qu’il n’y a pas de formation en la matière et que le métier d’implanteur est trop souvent considéré comme plus proche du dessin industriel que de l’intégrité du signal.

Un exemple ? Nous prenons trop souvent pour constante la vitesse de propagation des signaux électriques sur nos PCB comme égale à la moitié de la vitesse lumière. C’est un peu trop simple et, comme toujours dans nos métiers, source de pas mal de déboires…
Effectivement, si la vitesse de propagation dans un fil de cuivre est égale à la vitesse lumière, cette célérité est divisée par 9 si on trempe ce même conducteur dans l’eau. C’est stupide ? Oui, mais la démonstration est alors faite que la vitesse de propagation est directement fonction de la permittivité électrique du matériau environnant le conducteur, et non pas du conducteur luimême. Pour mémoire, la permittivité de l’eau douce à 25°C est de 78,5.

La vitesse de propagation des signaux dans un circuit "Stripline" est égale à : C/√εr
Avec C (vitesse lumière de 299.792.458 m/s suivant le bureau international des poids et mesures de Sèvres), donc la moitié de la vitesse lumière pour une permittivité électrique (εr) de 4 (Circuits HiTG, normes RoHS). Soit encore 150mm par nanoseconde ou 6,67 nanosecondes par mètre.
Avec un εr de 4,7 (Permittivité électrique habituelle des circuits FR4), la vitesse décroit à environ 138mm par nanoseconde. (Ici, refaire le calcul avec la permittivité de H2O…)
On voit ici l’incidence directe de la permittivité électrique du milieu, ce qui peut expliquer quelques problèmes sur des circuits imprimés où les tolérances sur les lignes différentielles sont de 125μm ou 5 mils (Cartes PCI Express de nos ordinateurs par exemple).

Encore que j’ai simplifié le problème, car je n’ai considéré que le cas d’une Stripline (Couche interne) avec une épaisseur de diélectrique identique sur les deux faces. Pour les couches externes, le problème est plus complexe du fait de l’environnement hétérogène (Air et FR4) entourant le conducteur. La célérité est alors comprise entre la vitesse de la lumière et cette même vitesse divisée par la racine carrée de la permittivité de l’isolant. En gros, une multiplication par 0,94 donne des résultats moyens, soit une célérité de 145mm par nanoseconde pour une piste de 100μ et un εr de 4.

Nous avons démontré ici l’importance du choix des matériaux, venons en au respect des impédances qui trop souvent est laissé à la charge du fabricant de PCB.
Face à notre problème d’impédances, le fabricant de PCB nous proposera des circuits réalisés avec une "impédance contrôlée". Terme magique ! Solution toute faite ! Mais de quoi s’agit-il exactement ? Le fabricant de PCB va demander quelles sont les impédances à respecter, puis va régler ses diélectriques et ses empilages au mieux pour respecter les exigences. Et si ce n’est pas suffisant, il va "recharger" ou "amincir" les pistes pour obtenir le résultat souhaité. Sympa non ? Mais ceci n’est, bien sûr, valable que pour une impédance caractéristique, sur une surface réduite.

Si on doit contrôler des lignes différentielles (USB, PCIe, SATA, HDMI, Ethernet), des lignes asymétriques rapides (Mémoires SDRAM ou DDR), des coaxiaux (Reprises d’antennes pour modules GSM, GPS, WiFi, ZigBee) il faut remettre en cause ses habitudes de travail et gérer soimême ses impédances, et ensuite exiger le respect de celles-ci.

J’utilise personnellement en ligne une feuille de calcul permettant de réaliser rapidement les calculs d’impédance. Sans vouloir rivaliser avec les outils professionnels tels que ceux de Polar Instruments, les formules utilisées donnent des résultats approximatifs (mais assez justes) qui devront être affinés si une plus grande précision était requise. Voir tableau en exemple ci-contre.

Quelques bonus intégrés à ce tableau qui m’aident bien en cours de travail :

• Le courant admissible pour une élévation de température donnée dans une piste.
• La résistance de la piste est calculée en fonction de tous les paramètres entrés.
• Le courant admissible pour une élévation de température donnée dans un via.

C’est toujours par la conception de l’empilage qu’il faut commencer, car l’impédance des pistes routées, et donc leur épaisseur, leur isolation dépendent largement de ce travail.

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